Исследователи из Университета штата Северная Каролина продемонстрировали передачу энергии триплетного экситона от полупроводниковых нанокристаллов к связанным с поверхностью молекулярным акцепторам, продлевая время жизни первоначально подготовленного возбужденного состояния на шесть порядков. Это открытие имеет значение для различных областей: от преобразования солнечной энергии до фотохимического синтеза, оптоэлектроники и светотерапии для лечения рака.
Экситоны - это пары электрон/дырка, образующиеся в полупроводниковых нанокристаллах при поглощении света, временно запасающие его в виде химической энергии. В солнечных элементах, например, экситоны переносят энергию через материал, чтобы ее можно было собрать и преобразовать в электричество.
С точки зрения фотохимии, основной недостаток использования большинства полупроводниковых нанокристаллов в качестве фотосенсибилизаторов заключается в их коротком времени жизни в возбужденном состоянии - обычно десятки наносекунд - что делает их непригодными для проведения фотохимических реакций. Профессор химии штата Северная Каролина Феликс Кастеллано вместе с постдоком Седриком Монгином и аспиранткой Софией Гаракьяраги задались вопросом, можно ли продлить время жизни полупроводникового нанокристалла в возбужденном состоянии до временных масштабов, достаточных для проведения химических экспериментов.
«Основной вопрос заключался в следующем: «Можем ли мы взять возбужденное состояние наночастиц со временем жизни в десятки наносекунд и продлить его за счет сенсибилизации», - говорит Кастеллано. «Если мы возьмем исходное возбужденное состояние нанокристалла и передадим его энергию триплетному акцептору на поверхности наноматериала, то создаваемое вами молекулярное триплетное возбужденное состояние должно иметь достаточно долгое время жизни, чтобы способствовать химическим реакциям. Это также предполагает, что полупроводниковые нанокристаллы демонстрируют молекулярное поведение».
Команда Кастеллано использовала нанокристаллы селенида кадмия (CdSe), покрытые олеиновой кислотой, приготовленные профессором Михаилом Замковым и его аспиранткой Натальей Разгоняевой в Государственном университете Боулинг-Грин. Часть олеиновой кислоты затем заменяется молекулярным триплетным акцептором 9-антаценкарбоновой кислотой (ACA). При воздействии зеленого лазерного импульса на нанокристалл CdSe, несущий АКА, экситон, образовавшийся в CdSe, переносится на АКА, образуя молекулярный триплетный экситон с миллисекундным временем жизни. Это представляет собой увеличение срока службы на шесть порядков, что обеспечивает последующую химическую реактивность.
«Другое преимущество заключается в том, что, перемещая экситон от поверхности наночастицы вместо вовлечения самой наночастицы в желаемые химические реакции, вы не разрушаете наночастицу», - говорит Кастеллано. «Он может продолжать поглощать свет и передавать энергию объемному раствору."